第六章柴油機的燃燒過程,柴油機的燃燒過程與汽油機的有所不同：1、混合氣形成的方法：汽油機：缸外（化油器及進氣管中），較均勻一致。柴油機：缸內形成混合氣,燃燒時混合氣不均勻。2、著火和燃燒的方式：汽油機：點燃式，著火后靠火焰傳播燃燒，著火時機、地點均能控制。柴油機：壓燃式,油滴擴散燃燒,著火時機、地點不能控制。3、保證及時、完全燃燒的方法：汽油機：提高火焰傳播速度。柴油機：保證及時形成較均勻的混合氣。,第六章柴油機的燃燒過程,要求：1、熟悉柴油機的燃燒過程及存在的問題；2、懂得放熱規律的意義及基本要求；3、懂得柴油機混合氣的形成特點及影響因素；4、掌握各種運轉因素對燃燒過程的影響。,一、燃燒過程,1、燃燒方式-油滴擴散燃燒柴油機是在壓縮過程中活塞接近上止點時,借助噴油設備將燃油在高壓下成霧狀噴入燃燒室,以便與空氣形成可燃混合氣。油滴的著火要滿足兩個條件：（1）混合氣的溫度要高于著火臨界溫度。（2）混合氣的濃度要適當，即混合氣的濃度要在著火界限之內。著火時機、地點不固定，著火點位于噴注外圍與核心之間。,圖6-1單個油滴的著火區域,Tc-熱空氣溫度；Tw-油滴周圍混合氣溫度；Cu-油滴周圍混合氣濃度；W-化學反應速度。,在稀火焰區形成著火核心；稀熄火區是未燃HC的主要來源后噴現象：霧化和貫穿度小，形成CO、碳粒和未燃HC等,2、燃燒過程,-滯燃期-速燃期-緩燃期-后燃期h-針閥升程Q-循環放熱量dQ/d-放熱速率dq/d-噴油速率,1)噴油始點2)缸內壓力線偏離純壓縮線始點3)最高壓力點4)最高溫度點,、滯燃期（1-2）,在壓縮終點,Tc=450-800,大于柴油的自燃溫度（330-350）,但不會立即著火,進行著火前的準備。物理準備：霧化，加熱，蒸發，擴散和混合?；瘜W準備：裂化，著火前的氧化反應。一般著火延遲時間i0.0007-0.003s從噴油開始到缸內壓力線與壓縮線偏離的始點階段，稱為滯燃期或著火延遲期。(圖6-2)噴油時缸內溫度壓力及燃料性質是影響i的主要因素。,、速燃期（2-3）（圖6-2）,著火后，在滯燃期內形成的混合氣此時同時燃燒，活塞在上止點附近，接近于等容燃燒，平均壓力升高率P/=(P3-P2)/(3-2)升高很快，放熱率d/d大。柴油機P/一般0.40.6MPa/A同時，噴油持續進行，形成燃燒與噴油的重疊，噴油常在速燃期結束。,、緩燃期（3-4）（圖6-2）速燃期內噴入的燃油在此階段燃燒，放熱量較大，占總放熱量的7080%。一般在上止點后2035CA，出現循環最高溫度，達16002000。溫度雖升高，但活塞已下行，壓力近似不變，近于等壓燃燒。、后燃期（4-）從溫度最高到燃料燃燒結束。遠離上止點放熱，大量的熱傳給冷卻系，使排氣溫度升高，零件熱負荷增加，導致柴油機動力性、經濟性下降，故應盡量減少后燃。,二、燃燒過程中存在的問題,1.混合氣形成困難，燃燒不完全?；旌蠘O不均勻混合氣形成時間短，邊噴油、邊混合、邊燃燒。改進措施：促進混合氣的形成。結構上，促進缸內的渦流運動。供給較多的空氣。大于1，一般取1.3。但是至少30%的空氣未被利用，使氣缸工作容積的利用程度降低，使升功率、平均有效壓力降低，這與提高其動力性相矛盾。,2.工作粗暴，燃燒噪音較大。速燃期內,急劇升高的壓力直接使燃燒室壁面及活塞、曲軸等機件產生強烈的振動,并通過氣缸壁傳到外部,形成燃燒噪音。燃燒噪音與速燃期內的P/有很大關系。為使工作柔和，要求P/400kpa/CA。P/的大小主要與滯燃期中形成的可燃混合氣的數量有關，縮短著火延遲時間i，減少滯燃期內的噴油量，抑制此階段混合氣的形成,可減小燃燒噪音,但與提高動力性相矛盾。,3.排氣冒黑煙主要發生在大負荷工況時，如加速，爬坡時。燃油在高溫缺氧下燃燒時易形成碳煙。減少黑煙的主要措施:(1)增加過量空氣系數。但與提高柴油機的動力性相矛盾。（2）改善混合氣的形成。與改善柴油機工作的柔和性相矛盾。,4.排氣冒藍煙、白煙在冷起動及怠速、低負荷運轉時，氣缸內溫度低，燃燒不良，不同直徑的柴油微粒隨廢氣排出，受光線的反射呈現不同的顏色，白煙是由0.61微米的顆粒構成，而藍煙是由0.6微米以下的顆粒構成。暖機時，一般先冒白煙，后冒藍煙，然后變為無色。,圖6-3柴油機與汽油機的放熱規律,定義：放熱率dQ/d(每度曲軸轉角的放熱量)隨曲軸轉角的變化關系。它決定壓力升高率(噪音)的變化和熱效率。,三、燃燒過程的放熱規律,理想的放熱規律應為：曲線要先緩后急。放熱開始時刻要適當提前,持續時間為40CA。,在燃燒期內，放熱過程分三個階段：預混合燃燒階段對應速燃期，放熱率很高，歷時37A。擴散燃燒階段對應緩燃期，放熱率下降，為主放熱階段，歷時40A。這兩個階段放熱達80%。放熱“尾巴”對應后燃期，放熱20%。放熱規律三要素：燃燒始點、放熱曲線形狀、持續時間。燃燒始點使最高壓力發生在上止點后78A。曲線形狀開始放熱適中,然后燃燒加快，尾巴盡量短。燃燒持續時間最佳約為40A,第二節柴油機混合氣的形成,柴油機混合氣形成靠三方面的相互作用：一是燃燒室的結構,二是燃料的噴霧，三是缸內適當的空氣運動?；旌蠚庑纬商攸c:1、缸內形成2、時間極短3、過量空氣系數較大4、靠燃燒室、噴霧、空氣渦流運動三方面配合保證燃燒完全、及時靠加快混合氣的形成速度（汽油機是提高火焰傳播速度）,混合氣形成方法:由不同噴霧及氣流運動組成了各種混合氣形成方式，其基本型式可分為：空間霧化混合，油膜蒸發混合?？臻g霧化混合：將燃油噴向燃燒室空間以霧狀油滴與空氣渦流混合。油膜蒸發混合：將燃油噴向燃燒室璧面以油膜蒸發油氣與空氣渦流混合。在車用柴油機中，兩種方式均有，但多數以空間霧化混合為主。球形燃燒室柴油機以油膜蒸發混合方式為主。,1.燃油的霧化燃油在經噴孔噴出時，在氣缸中被破碎成微粒的過程。,噴油橫截面上燃油分布,噴油橫截面上油粒速度,L:射程:錐角,圖6-5噴注的形狀,一、燃油的噴霧,2噴注的特征：噴注射程L：表示噴注貫穿深度；噴注錐角：表示噴注緊密程度；細微度和均勻度：表示霧化程度。細微度-油注中的平均直徑均勻度-油注中最大直徑與最小直徑之差,3影響噴注質量的主要因素：噴注結構，噴油壓力，氣缸內空氣的壓力，柴油的粘度等。,二、空氣運動對混合氣形成的影響,缸內空氣的渦流運動能加速霧化的油滴與周圍空氣的混合，促進燃燒過程的進行。,但渦流過強，會使燃燒產物與鄰近的噴注重疊；渦流過強也使進氣阻力加大，充量系數下降。,三、典型燃燒室結構分析,1燃燒室分為兩大類:直噴式和分開式。直噴式燃燒室：燃油直接噴入由活塞頂和缸蓋形成的一個統一空間。開式燃燒室淺坑型，如淺盆形或淺形燃燒室半開式燃燒室深坑型，如形和球形燃燒室分開式燃燒室：由主燃室和副燃室兩部分組成。如：渦流室式燃燒室和預燃室式燃燒室,2對柴油機燃燒室的要求：小，但應燃燒完全及時；適度的P/和Pz值；以保證工作柔和，平穩，可靠；排氣品質好；變工況適應好；應在負荷、轉速變化時，柴油機性能穩定；冷起動性好；制造、維修方便。,3、直噴式燃燒室的空氣渦流運動,空氣渦流運動是加速混合氣形成的有效手段；也是保證完善燃燒的重要條件。直噴式燃燒室產生渦流運動的方法有種：1）進氣渦流靠切向進氣道和螺旋進氣道形成。切向進氣道：氣道母線與氣缸相切，在氣門前強烈收縮，使氣流越來越快進入氣缸后受缸壁的約束而轉向，形成渦流。,螺旋進氣道：氣門座上方的氣道成螺旋型，相對于氣缸中心一定位置。氣流形成繞氣門中心的旋轉運動，進入氣缸后近于切向氣流，沿氣缸壁繞氣缸中心旋轉運動。應用于高速柴油機上。,2）擠氣渦流-在壓縮行程后期，活塞接近上止點時，活塞頂上方環形空間中的空氣被擠入活塞頂部的燃燒室內，造成的空氣的渦流運動。渦流強度較進氣渦流小，只起輔助作用。,逆擠流,4、直噴式燃燒室,1）開式燃燒室淺坑型混合氣形成方式以空間混合為主。形成質量依靠燃油噴霧的細微度及油束在燃燒室內的均勻分布實現。特點：結構簡單，F/V小，Q放，起動性好，經濟性好，熱負荷低；但大（1.72.2)，工作粗暴，對燃料要求高。如：淺型燃燒室,淺型燃燒室,2）半開式燃燒室深坑型型燃燒室混合氣形成：空間霧化混合為主。一般采用多孔噴嘴，并組織一定的進氣渦流和擠氣渦流，以加速混合氣的形成。主要特點：面容比小，Q放，經濟性好。低溫起動性好采用多孔噴嘴，高壓噴射。P/和Pz大，工作粗暴。大，動力性差。形成碳煙多，氮氧化物多、排放差。多用于3000r/min以下的柴油機。,型燃燒室,球形燃燒室混合氣形成：油膜蒸發。一般采用單孔噴嘴，均配有螺旋進氣道以產生強進氣渦流。主要特點：面容比小，經濟性好。P/和Pz較小，工作柔和。對燃油的品質及霧化質量要求低，可以燃用多種燃料。冷起動困難。低速、加速時冒黑煙。不適于增壓，變工況適應性差。,球型燃燒室,5、分開式燃燒室,1）渦流室式燃燒室混合氣形成：空間霧化混合為主。一般采用軸針式噴油器。主要特點：噴霧質量要求不高。P/較小，工作柔和。值可較小，空氣利用率高。變工況適應性好，對轉速不敏感。面容比較大，經濟性較差，啟動性差。,渦流室式燃燒室,1）預燃室式燃燒室混合氣形成：空間霧化混合為主。一般采用軸針式噴油器。主要特點：噴霧質量要求不高。P/較小，工作柔和。值可較小，空氣利用率高。變工況適應性好，對轉速不敏感。面容比較大，經濟性差，啟動性差。低速噪聲大,預燃室式燃燒室,各種燃燒室的比較,第三節燃油的噴射,一、噴射過程1燃油的噴射：燃油在噴油泵泵室中，受到柱塞壓縮，壓力升高，經噴油器噴出的過程。2分三個階段：噴油延遲階段，主噴射階段，滴漏階段。,圖6-17燃油的噴射過程,二、不正常噴射,二次噴射針閥落座后，過大的反射波使針閥再次升起而噴油的現象。,危害：噴油時間，噴油量發動機過熱，排氣溫度，燃油消耗率,噴射壓力低，霧化不良，燃燒過程中噴入氣缸，排氣冒黑煙，積碳。,隔次噴射發生在怠速運行時，造成柴油機怠速運轉不穩。,三、避免不正常噴射的措施減少高壓容積，縮短高壓油管長度，合理選擇噴射系統參數。,斷續噴射、隔次噴射,斷續噴射常發生在低速小負荷工況。,第四節影響燃燒過程的因素,一、燃油的影響1燃油的著火性是指柴油噴入汽缸后能否迅速著火燃燒的能力。用十六烷值表示。十六烷值高，著火性好，滯燃期短，P/較小，工作柔和。十六烷值高，起動性好。十六烷值過高，使燃油來不及混合就燃燒，冒煙。車用柴油機的十六烷值，一般為4050。2十六烷值對燃燒過程的影響。圖6-193蒸發性蒸發性過好，工作粗暴。蒸發性差，燃燒不完全。蒸發性適中,二、壓縮性的影響,Tc、Pc滯燃期縮短，工作柔和，改善柴油機冷起動性。但過大Pz，機械磨損，使用壽命。當21時，i的提高不明顯。柴油機合適的壓縮比主要是根據冷起動的需要來確定。,三、使用方面因素的影響,（一）噴油規律1定義：指噴油速率dq/d（每度曲軸轉角的噴油量）隨曲軸轉角的變化關系。2柴油機結構一定時，放熱規律取決于噴油規律。理想的噴油持續角為1635CA，噴油速率的變化要先緩后急。噴油規律可以通過改變噴油泵凸輪軸的凸輪型面加以調整。,（二）供油提前角,1定義：高壓油泵柱塞關閉進油孔瞬時到上止點之間的曲軸轉角。與噴油提前角相差噴油延遲角。2過大、過小的危害：（圖6-21）過大滯燃期柴油機工作粗暴，怠速不穩，冷起動困難。壓縮負功，Ne，ge。過小后燃量，排氣溫度，i，Ne，ge。,3、柴油機的性能指標隨供油提前角的變化關系供油提前角調整特性。,4、當柴油機ge最低，Ne最大時的供油提前角最佳供油提前角。,（三）轉速n,n加速、改善混合氣形成著火延遲時間i。但著火延遲角i=6nior,圖6-23轉速對i及i的影響,對直噴式柴油機,n最佳供油提前角。故柴油機上通常裝